Строение, структура и свойства

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Агрегатные состояния

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Диаграмма состояния вещества в зависимости от давления и температуры

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее расстояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы – хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически нейтральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов заряженных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизированный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяющих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) состоянием вещества – плазмой. В технике широкое применение получила «холодная» или низкотемпературная плазма (~10³–10⁴ К).

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твердым и газообразном. Жидкости подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут. В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул (~10 Нм = 10^–10 м) и силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого тела молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако, если в твердых телах эти положения равновесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени молекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемещаясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами. Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Таким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний порядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильностью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колебания около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут располагаться по узлам кристаллических решеток.

Таблица 1.1

Плотность, теплоемкость, температура плавления

и теплота плавления некоторых металлов

Металл	Плотность, 103 кг/м3	Теплоемкость, кДж/(кг·град) при 20 °С	Температура плавления, qпл , °С	Теплота плавления, L, кДж/кг
Алюминий	1,738	0,88	658,7	0,32–0,39
Вольфрам	19,35	0,24		–
Железо	7,874	0,45		0,293
Кобальт	8,90	0,45		–
Магний	1,848	1,3		0,373
Медь	8,96	0,39		0,214
Никель	8,91	0,46		0,24–0,30
Олово	7,29	0,23	231,9	0,059
Свинец	11,35	0,13	327,3	0,0225
Сталь	7,7–7,9	0,46	1300–1400	0,205
Чугун	7,0	0,5	1100–1200	0,096–0,14

В чистых металлах при повышении температуры происходит изменение агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твердое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.

Температура плавления – особенно важная константа свойств металла – колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 °С для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 °С – для самого тугоплавкого металла – вольфрама.

При постоянном давлении температуры плавления вполне определенны и для наиболее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.1.

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Плавление – процесс, обратный кристаллизации.

Энергетическое состояние системы, имеющее огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией G, называемой свободной энергией. В природе все самопроизвольно протекающие превращения (кристаллизация, плавление, коррозия) обусловлены тем, что новые состояния в новых условиях являются энергетически более устойчивыми и обладают меньшим запасом свободной энергии. Чем больше свободной энергии системы, тем система менее устойчива.

В самопроизвольно протекающих процессах свободная энергия убывает на величину ΔG, которая равна:

ΔG= ΔH – T ΔS, (1.1)

где ΔH – изменение энтальпии (теплосодержания системы), Т – абсолютная температура системы, ΔS – изменение энтропии системы при превращении.

Изменение энтальпии ΔH показывает изменение внутренней энергии системы от изменения энергии кристаллической решетки, энергии всех видов движения частиц, составляющих систему, энергии упругих искажений кристаллической решетки, т. е. изменение энергии системы при превращении (тепловой эффект превращения).

Величина ΔS характеризует упорядоченность в расположении атомов в системе. Чем более беспорядочно микросостояние системы, тем выше величина энтропии. Для различных агрегатных состояний вещества значение энтропии возрастает в последовательности: S_крист→S_жидк →S_пар.